Wenige Jahrhunderte statt 100.000 Jahre: USA setzen auf Brennstoff-Recycling für den Ausbau der Kernkraft bis 2050

Steigender Strombedarf durch Rechenzentren und die Elektrifizierung ganzer Industriezweige treibt in den USA derzeit ein neues Interesse an der Kernkraft an. Die Regierung strebt an, die heimische Kernkraft-Kapazität bis 2050 um 300 Gigawatt zu erweitern. Derzeit liefern 94 Leichtwasserreaktoren rund ein Fünftel des amerikanischen Stroms, das entspricht etwa 100 Gigawatt. Ein Ausbau dieser Größenordnung würde ohne Gegenmaßnahmen auch die Menge an abgebranntem Kernbrennstoff drastisch erhöhen, für den es bislang keine langfristige Endlagerlösung gibt. Forscher:innen am Argonne National Laboratory (ANL) arbeiten deshalb an Technologien, die diesen Brennstoff für den Einsatz in neuartigen Reaktoren wiederaufbereiten. Das Verfahren dahinter heißt Pyroprocessing und soll sowohl den Bedarf an neu abgebautem Uran als auch die Lagerzeit radioaktiver Abfälle senken.

Wiederaufarbeitung statt jahrtausendelanger Lagerung

Pyroprocessing nutzt elektrochemische Verfahren, um abgebrannten Brennstoff in eine Form umzuwandeln, die sich in fortschrittlichen Reaktoren erneut nutzen lässt. Nach Angaben von ANL könnte die Technologie die nötige Lagerzeit für radioaktiven Abfall von hunderttausenden Jahren auf wenige hundert Jahre reduzieren. Argonne erforscht diesen Ansatz seit fast fünfzig Jahren und testete zentrale Elemente bereits in den 1960er- bis 1990er-Jahren am Experimental Breeder Reactor II.

Von Oxid zu Metall

Gemeinsam mit dem Unternehmen Deep Isolation wandeln Ingenieur:innen von Argonne stabile Oxide aus abgebranntem Brennstoff in metallische Form um. Dieser Schritt ist Voraussetzung für die anschließende elektrochemische Verarbeitung. Das Team entwickelt zusätzlich Sensoren, die den Umwandlungsprozess in Echtzeit überwachen, und testet günstigere Materialien, die dieselbe Leistung erbringen sollen. Mit dem Reaktorentwickler Oklo arbeitet Argonne parallel an Systemen für maschinelles Lernen und an digitalen Zwillingen für die sogenannte Elektroraffination, ein Teilschritt der Brennstoffaufbereitung.

Zentrifugen gegen Strahlung

Ein weiteres Team um den Kernchemiker Peter Tkac kooperiert mit dem Unternehmen SHINE Technologies aus Wisconsin. Im Zentrum steht dabei die Trennung von Flüssigkeiten mittels Zentrifugalkontaktoren, einer von Argonne entwickelten Technik. Anders als bei klassischen Trennverfahren sollen sensible Nuklearmaterialien dabei gemischt bleiben statt in reine, separate Ströme aufgeteilt zu werden, was die Verbreitung von Spaltmaterial erschwert. Um die Bedingungen einer Wiederaufarbeitungsanlage nachzustellen, setzt das Team einen Van-de-Graaff-Beschleuniger ein, der gezielt Strahlung erzeugt. Speziell angefertigte 3D-gedruckte Bauteile erlauben es zudem, verschiedene Designs schnell und kostengünstig zu erproben, bevor sie im industriellen Maßstab zum Einsatz kommen.

Japan blickt erneut auf alte Pläne

Die Wurzeln der Technologie reichen bis in Argonnes Integral-Fast-Reactor-Programm zurück, das metallischen Brennstoff mit Pyroprocessing kombinierte. Japan prüfte diesen Ansatz bereits in den 1980er- und 1990er-Jahren, entschied sich damals aber für Mischoxid-Brennstoff. Nun erwägt die japanische Atomenergiebehörde JAEA die Integral-Fast-Reactor-Technologie erneut, für eine neue Reaktorflotte, die in den 2040er-Jahren in Betrieb gehen soll. Eine vierjährige Vereinbarung zwischen JAEA und Argonne soll die Entscheidungsgrundlage liefern. Laut dem langjährigen Programmleiter Yoon Il Chang könnte Japan noch bis zum Jahresende eine Richtungsentscheidung treffen.

Finanziert werden die Kooperationen unter anderem über den Technology Commercialization Fund des US-Energieministeriums, das Gateway-for-Accelerated-Innovation-in-Nuclear-Programm sowie die Advanced Research Projects Agency-Energy. Welche der getesteten Verfahren letztlich in kommerziellen Anlagen zum Einsatz kommen, hängt laut Tkac stark davon ab, welche Reaktortechnologien sich am Markt durchsetzen.

via Argonne National Laboratory